Quantenchip-Meilenstein weckt Begeisterung für die Zukunft des Rechnens

Ein neuer Meilenstein im Quantencomputing

Quantum computing ist zusammen mit KI ein neuer Horizont für die Technologiebranche. Das liegt daran, dass im Gegensatz zu anderen nicht-siliziumbasierten Computertechnologien, wie Graphen, Photonik oder sogar biologischen Organoiden, Quantencomputing Berechnungen auf radikal neue Weise durchführt.

Dies geschieht durch die Nutzung quantenmechanischer Effekte, wobei die Berechnung nicht mit 0 & 1 (binären Bits), sondern mit Qubits erfolgt, bei denen die Teilcheninformation gleichzeitig 0 UND 1, oder 1, oder 0 sein kann. Diese unterschiedlichen Methoden bedeuten, dass Quantencomputer bei manchen mathematischen Problemen absurd effizienter sein können als herkömmliche Computer.

Und genau das hat Google gerade demonstriert: Es hat einen neuen Chip vorgestellt, der fünf Minuten benötigt, um ein Problem zu lösen, das die derzeit schnellsten Supercomputer der Welt zehn Septillionen – also 10.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahre – benötigen würde.

Abgesehen von dieser bemerkenswerten Leistung könnte dies auch der erste Quantencomputer‑Chip sein, der eine realistische Chance hat, skalierbar und zuverlässig für nützliche Berechnungen zu sein. Die Ergebnisse wurden in der führenden Fachzeitschrift Nature veröffentlicht, unter dem Titel „Quantum error correction below the surface code threshold“.

Lernen Sie Willow kennen

Der betreffende Quantencomputer‑Chip von Google heißt Willow.

Quelle: Google

Dies ist die letzte Version einer Reihe immer leistungsfähigerer Quantenchips, die von Google entwickelt wurden, genannt Foxtail, Bristlecone und Sycamore.

Quelle: Google

Um die Leistung von Willow zu testen, wurde der random circuit sampling (RCS)-Benchmark verwendet, um ihn mit einem herkömmlichen Supercomputer zu vergleichen. Diese Technik wurde entwickelt, um die Leistungen von Sycamore zu messen, wobei die Anzahl der benötigten Qubits ermittelt wird, um mit einem klassischen Computer eine äquivalente Leistung zu erreichen.

Quelle: Google

Skalierbarkeit endlich in Reichweite

Eine wesentliche Einschränkung des Quantencomputings bisher ist, dass Qubits extrem fragil sind. Das liegt daran, dass Quantenzustände sehr kurzlebig sind und Störungen aus der Umgebung die für Quantenberechnungen erforderlichen Bedingungen destabilisieren.

Deshalb verwenden alle heutigen Quantencomputer ultrakalte Bedingungen und benötigen supraleitende Materialien. Das macht sie nicht nur komplexer und teurer, sondern auch sehr schwer zuverlässig zu nutzen.

„Um einen Quantencomputer nützliche Berechnungen durchführen zu lassen, benötigen Sie Quanteninformation und müssen sie vor der Umgebung schützen – und vor uns selbst, wenn wir Manipulationen daran vornehmen.“ Julian Kelly – Physiker bei Google, Leiter der Quantum‑Hardware‑Abteilung

Um das Problem noch zu verschärfen, gilt bisher: Je mehr Qubits ein System hat, desto höher ist die Fehlerrate, wobei jede Instabilität einen Dominoeffekt auslöst. Also je mehr Qubits, desto mehr Fehler, bis zu dem Punkt, an dem das Hinzufügen weiterer Rechenleistung die Gesamtleistung tatsächlich verringert.

Und vielleicht mehr als bei seiner Rechenfähigkeit ist dies der Punkt, an dem Willow einen echten Durchbruch darstellt.

Sie können auch direkt mehr über die genaue Leistung von Willow in der von Google bereitgestellten Video‑Präsentation sehen:

Fehlerkorrektur

Der grundlegende Schritt für Google war die Arbeit an der sogenannten Fehlerkorrektur. Die Idee ist, dass in einem Quantencomputer einige Qubits zuverlässiger sind als andere.

So können die Ausreißer‑/unterperformanten Qubits umkonfiguriert werden, sodass sie wie der Rest des Chips funktionieren.

Quelle: Google

Weitere Verbesserungen können durch Optimierung der Kalibrierungsmethode erzielt werden, sodass Fehler durch Softwareverbesserungen auf allen Qubits minimiert werden.

Schwelle der Quanten‑Fehlerkorrektur

Diese Schwelle ist ein seit langem angestrebtes Ziel von Quantencomputing‑Wissenschaftlern. Hier ist die Fehlerrate so niedrig, dass je mehr Qubits Sie hinzufügen, desto weniger Fehler auftreten. Das wurde lange theoretisiert, aber erstmals mit Willow erreicht.

Wir haben immer größere Arrays physischer Qubits getestet, von einem Gitter aus 3 × 3 kodierten Qubits über ein Gitter aus 5 × 5 bis zu einem Gitter aus 7 × 7 – und jedes Mal konnten wir mit unseren neuesten Fortschritten in der Quanten‑Fehlerkorrektur die Fehlerrate halbieren.

Google Quantum Computing Department

Quelle: Google

Im Wesentlichen, anstatt sich gegenseitig zu verstärken bis zum Zusammenbruch, sind die Fehler jetzt selten genug, dass sie mit zusätzlicher Rechenleistung korrigiert werden können, wodurch die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems steigt.

Ein entscheidender Faktor für Google, diesen Durchbruch zu erzielen, war eine radikale Verbesserung einer spezifischen Qubit‑Leistung, genannt „Qubit‑Kohärenzzeit“. Das ist die Zeit, in der das Qubit seinen Kohärenzzustand aufrechterhalten kann, eine Voraussetzung für Quantenberechnungen.

Willow erreichte eine Kohärenzzeit von 100 µs, gegenüber lediglich 20 µs beim Sycamore von 2019.

Dies ist ein wichtiger Datenpunkt, da die Verbesserung der Kohärenzzeit, die direkt zu exponentiell zuverlässigeren Quantencomputern führt, als die aktuelle Quanten‑Version von Moores Gesetz angesehen werden kann, das die ständige Verbesserung von „normalen“ Computern vorangetrieben hat.

Als das erste System unterhalb dieser Schwelle ist dies der überzeugendste Prototyp für einen skalierbaren logischen Qubit, der bisher gebaut wurde. Es ist ein starkes Zeichen dafür, dass nützliche, sehr große Quantencomputer tatsächlich gebaut werden können. Willow bringt uns näher daran, praktische, kommerziell relevante Algorithmen auszuführen, die auf herkömmlichen Computern nicht reproduzierbar sind.

Google Quantum Computing Department

All dies war dank Googles langfristiger Investition in seine Fertigungsanlage für supraleitende Quantenchips möglich.

Von physikalischen zu logischen Qubits

Für jede nützliche Berechnung muss das Quantencomputing logische Qubits verwenden, also die eigentliche Recheneinheit, die vom physischen Chip erzeugt wird.

Bei Willows Fehlerrate wird erwartet, dass jeder logische Qubit aus etwa 1.000 physischen Qubits besteht. Weitere Verbesserungen der Fehlerkorrektur könnten dies sogar auf 200 physische Qubits reduzieren.

Derzeit hat Willow eine Kapazität von 105 Qubits.

Nächste Schritte

Mit diesem Durchbruch ist die Aussicht, einen stabilen, zuverlässigen und skalierbaren logischen Qubit zu bauen, nun greifbar. Besonders weil das Hinzufügen physischer Qubits die Fehlerrate jetzt exponentiell senkt, anstatt sie exponentiell zu erhöhen.

Wahrscheinlich wird der nächste Schritt darin bestehen, den Nachfolger von Willow mit noch mehr Qubits zu bauen und gleichzeitig die Fehlerkorrekturtechnologie zu verbessern. Zusammen könnte dies es ermöglichen, dass jedes der nächsten Quantenchip‑Designs von Google ausreicht, um einen vollständigen logischen Qubit zu erzeugen.

Damit bleibt jedoch eine weitere Herausforderung, nämlich die logischen Qubits zu vernetzen, damit sie Quanten­zustände teilen und austauschen können.

Erst dann können wir von einem echten Quantencomputer sprechen, der routinemäßig eingesetzt und – was noch wichtiger ist – nach Belieben skaliert werden kann.

Wir haben bereits einige der Technologien und parallelen Durchbrüche diskutiert, die die Leistung und Architektur des Quantencomputings über die Verbesserung von Qubits hinaus steigern könnten, zum Beispiel:

• Nanomechanische Resonatoren, um den Quantenzustand besser zu messen, ohne die Qubits zu destabilisieren.
• Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive Element (SNAIL) Resonator, um über die Superposition von 0‑ und 1‑Zuständen der Qubits hinauszugehen und Continuous‑Variable (CV) Quantencomputing zu entwickeln.
• Bessere supraleitende Materialien, um die Stabilität von Quantencomputingsystemen zu verbessern.

Insgesamt ist Googles Durchbruch wirklich bahnbrechend und stellt eine radikale Weiterentwicklung der Perspektiven des Quantencomputings dar, mit dem ersten realistischen Ziel für einen skalierbaren kommerziellen Computer.

Allerdings erinnert uns selbst der Leiter des Google Quantum AI Labs, Hartmut Neven, daran, dass dies nicht schon morgen geschehen wird:

„Ein Chip, der kommerzielle Anwendungen ausführen kann, wird nicht vor dem Ende des Jahrzehnts erscheinen. Anfangs werden diese Anwendungen die Simulation von Systemen sein, bei denen Quanten‑Effekte wichtig sind.

Zum Beispiel ist er relevant für das Design von Kernfusionsreaktoren, um die Funktionsweise von Medikamenten und die pharmazeutische Entwicklung zu verstehen; er wäre relevant für die Entwicklung besserer Autobatterien und eine lange Liste weiterer solcher Aufgaben.“

Anwendungen

Das Potenzial des Quantencomputings ist enorm und könnte praktisch jedes wissenschaftliche Feld revolutionieren. Einige Anwendungen stechen besonders hervor:

• Biochemische Modellierung: vom Bestimmen der 3D‑Struktur eines Proteins bis zur Genexpression, die Berechnung komplexer biologischer Moleküle bis hin zu Atomen könnte die Biotechnologieforschung revolutionieren.
• Klimamodellierung: Klimamodelle sind außerordentlich komplex und stoßen an die Grenzen dessen, was aktuelle Supercomputer leisten können. Ein besseres Verständnis des Klimas mit einer feineren Berechnungsskala im Modell, sowohl geografisch als auch zeitlich, könnte helfen, Risiken des Klimawandels zu verstehen.
• Halbleiter: Quantencomputer könnten verwendet werden, um normale Computerchips deutlich leistungsfähiger zu machen. Da „normale“ Chips bereits die Nanometerskala erreichen, werden quantenmechanische Phänomene zunehmend problematisch, und Quantencomputer könnten nötig sein, um sie zu lösen.
• Materialwissenschaft: Ein besseres Verständnis der Quantenphysik und der Reaktion von Materialien bis hin zu einzelnen Atomen kann neue Designs für Materialien in der Luft- und Raumfahrt, für Batterien, 3‑D‑Druck, Fertigung usw. ermöglichen.
• Kryptographie: Quantencomputer könnten potenziell alle aktuellen Kryptographiemethoden obsolet machen. Das ist ein ernstes Problem für militärische, finanzielle & IT‑Systeme. Gleichzeitig könnte es die Kryptographie sogar sicherer machen.

Risiken

Da Quantencomputing so leistungsstark ist, besteht auch ein erhebliches Risiko des Missbrauchs. Das größte Risiko betrifft die Kryptographie.

Seit der Ankündigung von Google über Willow haben mehrere Kommentatoren diskutiert, dass die Möglichkeit, alle bestehende Kryptographie zu brechen, für Kryptowährungen wie Bitcoin verheerend wäre.

Und theoretisch ist das wahr. Aber es ist ein eher kurzsichtiger Kommentar, stärker getrieben von einer Reaktion auf den jüngsten Bitcoin‑Bullrun als vom großen Gesamtbild. Das Brechen der Kryptographie von Computern und digitalen Systemen würde gleichermaßen die Sicherheit und Zuverlässigkeit des gesamten Banken‑ und Finanzsystems gefährden, nicht nur von Kryptowährungen.

Es wäre zudem verheerend für die globale geopolitische Stabilität und die militärische Sicherheit, da alles von Kommunikation bis zu nuklearen Startcodes auf sicherer Verschlüsselung beruht. Eine vollständig gebrochene Verschlüsselung könnte ausländischen Mächten oder böswilligen Akteuren ermöglichen, solche Sicherheitsmechanismen völlig zu destabilisieren.

Das bedeutet nicht, dass es keine Lösungen gibt. Zum Beispiel kündigte Apple (AAPL ) im Februar 2024 an, dass die Verschlüsselung, die iMessage‑Chats schützt, „quantensicher“ gemacht wird, um zu verhindern, dass sie von leistungsfähigen zukünftigen Quantencomputern gelesen werden können. Wir können annehmen, dass, wenn Apple auf quantensichere Verschlüsselung umstellt, dies auch die größten Militärstreitkräfte und Finanzinstitutionen tun können.

In Kombination mit einem mehrjährigen Zeitplan, bis selbst ein Vorreiter wie Google einen kommerziellen Quantencomputer besitzt, sind wir weit entfernt von einem katastrophalen, unmittelbar bevorstehenden Risiko.

Quantencomputing‑Unternehmen

Wie Sie gesehen haben, ist Google im Quantencomputing sehr aktiv, hauptsächlich durch sein Google Quantum AI‑Labor und den Quantum AI‑Campus in Santa Barbara.

Der Quantencomputer von Google schrieb 2019 Geschichte, als Google behauptete, mit seiner Sycamore‑Maschine die „Quanten‑Suprematie“ erreicht zu haben, indem er eine Berechnung in 200 Sekunden durchführte, die ein herkömmlicher Supercomputer 10.000 Jahre benötigen würde.

Das wird natürlich jetzt von Willows Leistung in den Schatten gestellt.

Aber vielleicht wird Googles größter Beitrag im Bereich Software liegen, einer Aktivität, in der es eine beeindruckende Erfolgsbilanz vorweisen kann, tatsächlich besser als in der Hardware (Suche, G‑Suite, Android usw.).

Bereits stellt Googles Quantum AI eine Suite von Software zur Verfügung, die Wissenschaftlern bei der Entwicklung von Quantenalgorithmen hilft.

Es fordert auch offen „Forscher, Ingenieure und Entwickler, sich uns auf dieser Reise anzuschließen, indem sie unser Open‑Source‑Software und Bildungsressourcen, einschließlich unseres neuen Kurses auf Coursera, wo Entwickler die Grundlagen der Quanten‑Fehlerkorrektur erlernen und uns helfen können, Algorithmen zu erstellen, die die Probleme der Zukunft lösen.“

Dank dieses offenen Ansatzes und nun auch führend in der Hardware, plus seiner Cloud‑Lösungen, könnte Google wahrscheinlich eines der Unternehmen sein, die die Standards für Quanten‑Computing‑Software & Quanten‑Programmierung setzen und damit einen privilegierten Platz erhalten, um die zukünftige Entwicklung des Feldes zu bestimmen.

Und währenddessen könnten KI‑Lösungen, einschließlich Waymos selbstfahrendem Auto, zum neuen Umsatztreiber für Alphabet (GOOG ) werden, das nach wie vor eine massiv dominante Position in den Such‑ und Werbe‑Branchen innehat.